AlNiCo合金中α1相取向程度对磁稳定性的影响

赵之赫，夏卫星，姜龙涛

(1.哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨 150001；2. 中国科学院宁波材料技术与工程研究所，浙江宁波 315201)

0 引言

在石英加速度计等惯性仪表中，永磁合金通常作为磁场源起到关键作用，磁性能的稳定性对设备精度和寿命影响巨大。AlNiCo合金具有优异的温度稳定性和高温性能， 但是长期使用过程中磁性能的缓慢衰退问题仍然严重，其背后的物理机制和改良工艺有待深入研究。AlNiCo合金主要由铁磁相的相和弱磁相的相组成，细长的相沿着易轴方向排列，为磁矩提供各向异性场。但是实际磁体中必然存在缺陷区域，造成相的排列遭到破坏。由于常规AlNiCo磁体中相排列不一致的区域很少，宏观性能测试很难区分磁体之间的差异，因此需要制备相随机取向的磁体扩大差异，探究相取向与AlNiCo合金磁稳定性之间的关联。

磁性能的长期演化机制通常认为磁粘滞(磁后效)是主要原因，即磁矩在热激活的作用下跨越能垒，从一个能量极小值到另一个能量极小值。对磁粘滞现象和理论的细致研究起源于20世纪40年代末，R.Street等根据S-W模型推算出恒定磁场下磁化强度与时间的对数呈线性关系，并在铝镍钴合金中得到初步验证。20世纪80～90年代出现了大量磁粘滞相关研究，多种磁记录材料和永磁材料都在试验中对磁粘滞行为进行表征，理论方面也开始研究温度、颗粒取向及颗粒矫顽力等因素对磁粘滞的影响。但是受到试验设备精度和表征手段的限制，后续对磁粘滞的试验研究开始减少。

本文针对相取向程度不同的两种AlNiCo合金，研究磁性能长期稳定性的影响因素。磁场热处理过程是形成织构的主要工艺过程，所以在这一工艺中不施加外加磁场就可以制备出相随机取向的样品。通过微观结构观测和磁粘滞行为分析，研究合金内取向程度差异对稳定性的影响，探究背后的物理机制，为提高AlNiCo合金磁稳定性提供新的思路。

1 试验材料及方法

本文中所用AlNiCo合金成分配比如表1所示。具体的热处理工艺为：首先将试样在1250℃固溶20min，使合金成分结构全部转变为相，取出后风冷到600℃左右；然后分别在0T和0.25T磁场强度，820℃温度条件下进行磁场热处理20min，使合金在调幅分解后的相与相沿外加磁场方向，增加磁钢的各向异性，改善合金的微观组织；再分别经过一、二、三级回火，使合金的调幅分解相长径比增加，相界面更加清晰，元素分布更加均匀以增加磁性能和矫顽力。AlNiCo-0代表0T磁场热处理的样品，AlNiCo-0.25代表0.25T磁场热处理的样品。

表1 AlNiCo合金各元素测定比例

微观结构观察和原位加温观测使用洛伦兹透射电子显微镜(LTEM JEM-2100F)，加速电压200kV。微观结构观测的样品制备方法是：首先通过机械研磨将合金薄片减薄至～50μm，然后通过离子减薄制备最终观测样品。磁滞回线及磁性能衰减使用振动样品磁强计(VSM Lakeshore7410)进行测试。微磁模拟使用开源的OOMMF软件进行计算，它是基于有限差分法对LLG方程进行求解。计算模型尺寸为100nm×150nm×10nm，计算网格尺寸为1nm。

2 结果与讨论

经过1250℃固溶后形成AlNiCo固溶体，之后在磁场热处理过程中发生相分离，最终形成铁磁的富Fe-Co相(相)和弱磁的富Ni-Al相(相)。通常在高温热处理过程中施加外磁场，此时由于合金的晶场力较小，相在磁场的作用下容易发生重新取向，使棒状颗粒沿外磁场方向排列。织构组织可以有效提高合金的矫顽力，改善永磁性能。本文研究中制备了无外加磁场热处理情况下的合金样品，以比较相的取向对磁稳定性的影响。

图1所示为洛伦兹电镜下观测的两种样品的微观结构图，样品平面平行于易轴。无外加磁场热处理的样品中相取向混乱，没有统一的方向，并且棒状颗粒的长径比较小，如图1(a)所示。热处理过程中施加0.25T磁场的样品微观结构如图1(b)所示，可以看到相沿着统一取向排列，长轴方向与易轴方向平行。此外，样品2的相长径比也更大。

(a) AlNiCo-0 (b) AlNiCo-0.25

如图2所示，使用振动样品磁强计(Vibrating Sample Magnetometer, VSM)测试了AlNiCo-0和AlNiCo-0.25这2个样品的磁滞回线。从矫顽力、饱和磁化强度、剩余磁化强度这3个磁性能来看，2个样品均存在一定差异。饱和磁化强度差异较小，AlNiCo-0的为116.47emu/g，略低于AlNiCo-0.25的125.72emu/g。剩余磁化强度差别较大，AlNiCo-0的为48.56emu/g，AlNiCo-0.25的为95.50emu/g，相差近1倍。矫顽力分别为1422.71Oe和1751.03Oe，同样是AlNiCo-0更低。相的取向对磁性能影响很明显，在较大磁场下，磁矩都会沿着外加磁场方向排列，所以对饱和磁化强度影响较小。撤去外加磁场后，轴向平行于易轴的颗粒磁矩受各向异性场的影响不发生偏转，但是其他方向的颗粒的各向异性场与易轴不一致，磁矩发生偏转，因此造成取向混乱的样品剩磁很低。

图2 样品AlNiCo-0和AlNiCo-0.25的磁滞回线

分别对AlNiCo-0和AlNiCo-0.25这2个样品进行磁粘滞测试，测试过程为：沿样品易轴方向施加2T的磁场，使样品饱和，逐渐减小场强并施加较小的反向磁场，在恒定反向磁场下维持1500s，检测磁化强度随时间的变化。图3(a)和(b)所示为2个样品的磁粘滞曲线。随着时间延长，磁性能的衰减速率逐渐减小。磁性能的衰减过程均符合对数关系，即

()=ln+

(1)

其中，为磁粘滞系数。

分别对每条曲线进行拟合，得到不同磁场下的磁粘滞系数，以反映磁性能的衰减速率，图3(c)所示为2个样品在不同磁场下的磁粘滞系数。对于单个样品来说，随着磁场的增大，磁粘滞系数也呈逐渐增大的趋势。2个样品横向比较，在各磁场下，随机取向的AlNiCo-0样品的磁衰减速率均低于样品AlNiCo-0.25。虽然饱和磁化强度和剩余磁化强度统一取向的样品性能均高于随机取向的样品，但是随机取向的样品反而磁稳定性更好。

(a) 样品AlNiCo-0的磁粘滞曲线

磁性能的衰减是由于部分磁畴发生了不可逆的转动，这种转动是热扰动造成的。从物理本质来看，磁粘滞过程主要是由热激活引起的能量波动，波动达到一定程度可能会造成能量在极小值点之间跳跃，即跨越能垒。通过直流退磁剩磁(Direct Current Demagnetization Remanence, DCD)曲线测试不可逆磁化率，测试方法为：在2T的磁场下使磁体正向饱和，将磁场退至零场记录磁化强度，反向增加磁场至某一值，再退回零场记录剩磁，逐步增加反向磁场，间隔50Oe获得一个剩磁。剩磁与磁场的比值为不可逆磁化率。图4所示为2个样品的不可逆磁化率随磁场分布曲线，不可逆磁化率可表征不可逆能垒在不同磁场下的分布。在相同的磁场下，AlNiCo-0具有更低的不可逆磁化率，分布也更加平缓。在磁粘滞测试过程中，可以发生翻转的相只有矫顽场在磁场附近的一部分，因此能垒分布越平缓，矫顽力处于该磁场下的相越少，磁稳定性更好。

图4 样品AlNiCo-0和样品AlNiCo-0.25的不可逆磁化率随磁场变化曲线

为了进一步分析不同取向的α相在合金退磁过程中的影响，在OOMMF平台进行了微磁模拟分析。图5(a)和(b)所示为建立的两种模型。模型1全部为统一取向的棒状颗粒，模型2添加了横向排布的棒状颗粒。在较大磁场下使模型处于饱和态后撤去磁场，使内部磁矩自由弛豫，形成如图5(c)和(d)所示的磁矩分布图。取向统一的模型中，其中一部分颗粒整体发生了翻转，模型2中横向的颗粒内磁矩取向不统一，由于相互作用的影响，横向颗粒左右两侧的磁矩分别沿着不同的方向排列，与纵向颗粒内的磁矩形成圆环状的磁矩排列。横向颗粒的加入使磁矩的排列形成更稳定的结构，有助于提高稳定性。

(a) 模型1示意图

3 结论

本文分析了相取向程度不同的AlNiCo合金磁性能稳定性的差异，并探究其物理机制，得出结论如下：

1)磁场热处理工艺过程是影响AlNiCo合金中相取向程度的关键工艺，施加0.25T磁场的样品AlNiCo-0.25中颗粒统一取向排列，不加磁场的样品AlNiCo-0中相排列混乱。

2)AlNiCo-0样品矫顽力和剩余磁化强度均有所降低，这是磁体各向异性下降导致的必然结果。但是通过磁粘滞测试分析磁稳定性后发现，相随机取向的样品磁粘滞系数更低，磁稳定性更好。

3)能垒分析表明，磁稳定性存在差异的主要原因来自于能垒分布的差别，能垒分布平缓导致某一磁场下发生不可逆翻转的相更少，所以稳定性更好。通过微磁模拟进一步发现，取向与易轴垂直的颗粒更有助于形成稳定的磁矩结构。

4)相随机取向的样品虽然宏观磁性能下降，但是稳定性更高，这为AlNiCo合金的稳定化工艺提供了新的思路。对宏观磁性能要求较低但是对磁稳定性要求较高的应用场合下，可以适当调整相的取向程度，实现性能和稳定性之间的平衡。